基于CAN總線的發動機轉速測試電路設計

四川城市職業學院 電子科技大學物理電子學院 羅茂元電子科技大學物理電子學院 朱兆君

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基于CAN總線的發動機轉速測試電路設計

四川城市職業學院 電子科技大學物理電子學院 羅茂元
電子科技大學物理電子學院 朱兆君

【摘要】通過對車載主動安全系統的研究，針對汽車等交通工具的嵌入式控制器局域網絡，提出了一種通過磁電傳感器檢測發動機轉速系統的CAN總線設計方案。在簡單介紹該CAN總線網絡三層結構設計的基礎上，詳細闡述了節點嵌入式微處理器電路、CAN總線電路及傳感器信號調理電路的設計，并提出了基于J1939協議的發動機轉速測量電路的軟件流程圖。該設計方案的提出，為車載主動安全的控制系統設計具有一定的參考價值。

【關鍵詞】CAN總線；J1939協議；嵌入式微處理器

課題項目：四川省教育廳自然科學類科研項目課題，項目名稱：基于嵌入式技術的車載主動安全系統方案的研究，課題編號：14ZB0418 。

0 引言

在對車載主動安全系統的研究中，為解決汽車控制系統中，數量眾多的電子設備之間的通信問題，減少電子設備之間繁多的信號線，通過單一而穩定的網絡總線，將外圍器件掛接在該總線上，實現車載設備和多控制系統之間的數據交換，各操作單元之間的協作，并對各單元不斷變化狀態實時控制。

在眾多的CAN總線協議中，J1939協議主要應用在以CAN為基礎的汽車等交通工具的嵌入式網絡中。由于J1939網絡是專門用途的通信系統，而不需要通用化，因此，基于J1939協議電控系統（ECU）的開發只須按照物理層搭建、數據鏈路層配置、應用層設計即可。

1 總體設計

1.1 物理層搭建

物理層實現網絡中電控單元的電連接，物理介質為屏蔽雙絞線，雙絞線終端電阻應為120歐姆，從而防止數據在線端被返回，影響數據的傳輸，同時電流能夠對稱驅動。

1.2 數據鏈路層配置

數據鏈路層為物理連接提供可靠的數據傳輸，J1939協議數據鏈路層配置就是對協議數據單元的配置，PDU的7個域的信息應由應用層提供。PDU將被封裝在一個或多個CAN數據幀中，并通過物理介質傳輸到其他網絡設備。如果某特定參數組傳輸9字節或更多的字節，則將使用傳輸協議功能RTS/CTS，BAM。該協議功能是數據鏈路層的一部分，可再細分為消息的拆裝、重組以及連接管理兩個主要功能。

1.3 應用層設計

J1939應用層包含信號和報文兩個方面的設計。信號描述使用可疑參數編號定義，可疑參數編號為19位，用于標識ECU相關的特定部件、元素或參數，可以描述部件名稱、參數名稱、信號類型，著重描述參數組中的某個參數；而報文描述用PGN定義，包含參數組名稱、傳輸更新速率、數據長度、PDU和數據列表，主要描述整個參數組。他們之間相對于整體與局部的關系。

2 硬件電路設計

發動機轉速測試系統主要由磁電傳感器輸出的模擬信號經調理處理后，轉變為脈沖信號，經CAN總線發送給主節點。

圖1 STM32F107系統圖

基于J1939協議的發動機轉速測試硬件電路采用嵌入式芯片STM32F107作為節點微處理器；外部振蕩器可選頻率范圍為 3～25MHz，此處選用比較常用的 8MHz 晶振作為外部振蕩器。由于STM32F107嵌入式芯片內部集成了Bosch CAN控制器，該控制器符合CAN2.0B標準，與數據發送和接收有關的所有協議處理均由該控制器完成，不需要STM32F107的干預，并可使用J1939協議實現網絡通信。但由于該控制器不提供物理層驅動，所以選用TJA1040T作為總線驅動，與STM32嵌入式芯片管腳CANTX與CANRX相連。圖2為CAN控制器原理框圖。

圖2 CAN控制器原理框圖

TJA1040是控制器局域網CAN 協議控制器和物理總線之間的接口。它主要應用在高速傳輸中，速度可達1Mbaud。TJA1040為總線提供差動的發送功能，為CAN控制器提供差動的接收功能。圖3為TJA1040的硬件電路設計圖。

圖3 CAN總線電路

在進行發動機轉速采樣過程中，須通過磁電傳感器對輸出信號進行調理。調理電路主要用于將磁電傳感器輸出的正弦信號調整為STM32能夠識別的外部計數脈沖，通過光隔離器TIL113將電信號轉為光信號，實現了信號的隔離。在通過電壓比較器LM239轉換為脈沖信號。

圖4 信號調理電路

3 軟件設計流程

圖5 基于J1939協議的發動機轉速測量電路軟件流程圖

4 結束語

通過對發動機轉速測試系統的CAN總線物理層搭建及J1939應用層通信協議的設計，有效地解決了發動機磁電傳感器電路中的CAN總線網絡的通信問題，滿足了實際應用的需要，達到測試效果。